羅明清，何時有，陳 琛，童 灝

(中國電建集團海外投資有限公司，北京 100048)

0 引 言

在氣候變暖和全球能源轉型背景下，大力發(fā)展風電是綠色低碳經濟發(fā)展需要，風電通過替代化石燃料減緩氣候變化，可以改善鳥類的整體生存環(huán)境，但也帶來了鳥類保護問題，尤其是鳥類撞機風險。目前鳥類保護以驅趕技術為主，針對某一珍稀野外飛禽，開展主動避讓技術研究非常少[1-2]?？梢暬楊愖R別保護系統(tǒng)通過360°全景攝像頭以及中央分析單元，瞬時完成飛行物圖像捕捉、識別、預警等一系列動作，對處于鷹類活動范圍內的運行機組進行停機，避免鷹類撞機事件發(fā)生，有利于實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。

1 項目簡介

牧牛山風電項目位于塔斯馬尼亞州中央高地，總裝機148.4 MW，共48臺機組，通過長4 km的220 kV輸電線路與澳大利亞國家電網連接，年均上網發(fā)電量約4.4億kW·h，為塔州提供5%的電力，為6萬戶家庭提供優(yōu)質的清潔能源，被塔州能源部長譽為“改變州運”的重大基礎設施項目。項目于2020年5月12日進入商業(yè)運營，2020年8月3日實現(xiàn)全容量并網。

澳大利亞各級政府對生態(tài)環(huán)境保護的要求十分嚴格，其中塔斯馬尼亞州尤為突出。牧牛山項目現(xiàn)場自然環(huán)境優(yōu)美，是瀕危動物楔尾鷹和白腹鷹的棲息地，澳大利亞政府對每年因風場運行受傷或被殺害的楔尾鷹數(shù)量提出明確要求。為保護野生飛禽安全，降低對風電站的不利影響，實現(xiàn)風機高效利用，實現(xiàn)生態(tài)效益和經濟效益的最佳平衡，需開展針對性地鷹類識別保護研究。

2 防鳥技術介紹

2.1 鳥類探測技術

遙測技術。在受保護的鳥類身上直接安裝無線電信號發(fā)射裝置，通過定位系統(tǒng)追蹤和記錄野生動物的活動情況，在地圖上記錄其飛行軌跡和活動范圍等相關信息。本方法需抓獲目標鷹類，誘捕或安裝裝置可能導致受傷，不適用于稀有、瀕危或脆弱物種。

雷達探測。通過使用無線電波獲取物體的距離、角度和速度信息，探鳥雷達能檢測到夜間和遠距離的鳥類，可形成全方位的探測，并提供飛鳥運動高分辨圖像，但尚有一定局限性[3-5]：①可能存在檢測不到目標的盲區(qū)，需部署多部雷達以實現(xiàn)全覆蓋；②地面、降水、昆蟲、植被都可能產生雜波，難以在抑制雜波的同時保持鳥類目標完整性；③難以識別具體的物種或鳥群中確切的個體數(shù)，無法動態(tài)跟蹤鳥群中的單只鳥；④不同頻段的雷達對鳥群目標的探測能力不同，鳥類飛行時的翅膀扇動會對雷達波產生調制效應；⑤成本較高，可能需要專業(yè)人員參與。

紅外探測技術。根據(jù)傳感器不同分為熱釋電傳感器和熱電堆傳感器。用菲涅爾透鏡制成的熱釋電紅外傳感器更適合探測飛行中的鳥。對于鳥棲停在防范區(qū)域的問題，熱電堆紅外傳感器通過形成錐狀的探測空間可以有效解決，但針對復雜的現(xiàn)場環(huán)境，需要形成全方位的探測時，存在不足[6]。

成像技術。目前最適宜于風電項目的方法是攝像機成像技術，它的主要優(yōu)勢是具有識別物種的潛力、記錄碰撞事件的可能性以及觸發(fā)停機保護，但攝像機的視野有限，需要多臺設備實現(xiàn)全覆蓋。目前，比較成熟的成像技術有DT Bird和IdentiFlight兩種，均已在全球十幾個風電場進行了成功應用。

2.2 防鷹撞擊規(guī)避措施

用于降低飛禽類撞機風險的主要方法有2種，一是主要采用防鳥刺阻擋或者聲、光、電等措施驚嚇或刺激鳥類，來實現(xiàn)防鳥驅鳥的目的[7-8]，這些方法具有一定的盲目性，不能主動探測飛鳥目標，只是被動驅趕鳥類；二是對處于野生動物活動范圍內的運行機組進行自動停機，以大幅降低野生動物撞擊葉片的概率。由于大部分野生動物對聲響警告不敏感，因此停機避讓成為了避免野生動物撞機的首選。

3 可視化鷹類識別保護系統(tǒng)的應用

3.1 技術原理

牧牛山項目在澳洲風電行業(yè)首次引入全球技術領先的鷹類識別保護系統(tǒng)IdentiFlight。該系統(tǒng)是由美國RES公司(Renewable Energy Systems)和巨石成像公司(Boulder Imaging)共同研發(fā)的一款先進的可視化鷹類識別保護系統(tǒng)，采用高性能光學系統(tǒng)與視覺軟件結合，由最先進的圖像傳感器陣列(用于半球空間探測)、高放大率立體傳感器(用于位置、軌跡和物種識別)和高性能人工智能算法(用于完全自主的實時圖像處理)組成。

可視化鷹類識別保護設備安裝在觀測塔上，塔高一般7～10 m，主要由頂部探測頭、塔身、服務器柜等部件組成，如圖1所示。探測頭包括8臺廣角攝像機(WFOV)和1套高分辨率立體攝像機(HRSC)，如圖2所示。

圖1 觀測塔及頂端探測頭

圖2 鷹類識別保護設備

廣角攝像機負責探測發(fā)現(xiàn)移動的物體，根據(jù)機器視覺技術對轉動的風機葉片、晃動的樹木等非鳥類目標進行篩選排除。高分辨率立體攝像機鎖定跟蹤并拍攝捕捉疑似楔尾鷹鳥類的高清圖像，對尺寸、顏色、羽毛等物理特征進行分析，與收集的圖像數(shù)據(jù)庫精確比對，最終確定該目標為楔尾鷹，并將相關數(shù)據(jù)發(fā)送到本地基站?；緦⑾嚓P數(shù)據(jù)分別發(fā)送到現(xiàn)場運維樓監(jiān)視屏和停機保護模塊，供運維人員進行實時監(jiān)控，以及供停機保護模塊進行數(shù)據(jù)分析；停機保護模塊通過分析楔尾鷹飛行路徑、飛行速度以及其與風機的距離，評估楔尾鷹與風機相撞的風險，并確定是否需要采取停機保護措施；如有楔尾鷹碰撞風險，系統(tǒng)立即向數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)系統(tǒng)發(fā)送風機降低轉速或停機信號，風機實施保護停機動作。當瀕危鷹類撞機風險解除后，系統(tǒng)將向SCADA系統(tǒng)發(fā)出風機重啟信號，風機恢復正常運行。系統(tǒng)通過360°全景攝像頭以及中央分析單元，可連續(xù)24 h不間斷探測，瞬時完成飛行物圖像捕捉、識別、預警等一系列動作，對處于鷹類活動范圍內的運行機組進行停機，避免鷹類撞機事件發(fā)生。

3.2 技術應用

3.2.1 楔尾鷹分布調查和保育期監(jiān)控

根據(jù)鷹類的棲息分布和行為特點，制定科學的調研方案，對現(xiàn)場及周邊一定范圍區(qū)域開展全面的實地巡查，對巢穴分布位置、周邊環(huán)境、種群數(shù)量等進行全面記錄，并每隔一段時間進行復查。根據(jù)前期鷹巢調查，風電場區(qū)域內有3個塔斯馬尼亞楔形尾鷹巢穴，部分巢穴不活躍，在風電場周圍2 km范圍內，有2個楔形尾鷹巢穴。將進一步跟蹤巢穴的活動跡象，研究場區(qū)內楔尾鷹的種群數(shù)量、活動范圍等，更好地提高保護措施的針對性。每年野生動物保育期(通常為當?shù)?月份前后)期間，通過安裝隱蔽攝像裝置等方式記錄楔尾鷹巢內及附近野生動物活動。

3.2.2 可視化鷹類識別保護設備選址

為滿足全場覆蓋無死角監(jiān)控瀕危鷹類的環(huán)保要求，首先利用地理信息系統(tǒng)(ArcGIS)對項目地形進行視域分析，盡量遠離楔尾鷹活動范圍，初步確定設備安裝的備選位置；研究現(xiàn)場的植被勘察數(shù)據(jù)(LiDAR Data)以及現(xiàn)場植被照片，盡可能減設備安裝對現(xiàn)場植被和地形的破壞和影響；使用谷歌地球(Google Earth)、KML(Keyhole Markup Language)等軟件對設備安裝位置進行精選，實現(xiàn)全覆蓋并盡可能擴大設備的監(jiān)控重疊區(qū)域，提高識別瀕危鷹類的準確性和及時性；開展實地勘察，科學論證并最終確定16臺設備的安裝位置，如圖3所示。

圖3 鷹類活動與風機布置

3.2.3 建立鷹類圖像庫

廣泛收集野生飛禽圖像，分析顏色、羽毛、翅膀形狀和飛行輪廓等特征，建立楔尾鷹識別規(guī)則。通過可視化鷹類識別保護系統(tǒng)對場內楔尾鷹情況進行跟蹤大量拍攝，對楔尾鷹的范圍、出現(xiàn)時間、頻率、飛行軌跡、飛行速度、飛行姿態(tài)等信息進行統(tǒng)計分析，開展楔尾鷹活動行為調研研究?；跈C器視覺技術，依據(jù)建立的識別規(guī)則分析圖像，確定拍攝的圖片與鳥類圖像庫的匹配情況，還利用卷積神經網絡技術，通過大量鳥類樣本訓練，提取出不同鳥類的特征文件，深度學習識別物種，提升識別可靠度和效率。2019年11月19日～2020年5月17日，共追蹤超過5.5萬次楔尾鷹和白腹鷹的飛行路線，捕捉處理超過800萬張楔尾鷹和白腹鷹圖片，建立了基本圖像庫并不斷完善。

3.2.4 系統(tǒng)參數(shù)和風機預警規(guī)則

可視化鷹類識別保護系統(tǒng)的工作原理是在發(fā)現(xiàn)楔尾鷹后控制相關風機降低葉片轉速或停機避讓，將不可避免的造成發(fā)電量損失，如增大發(fā)送停機信號的范圍半徑，或延長撞擊預警時間，將出現(xiàn)鷹類活動時機組損失電量大幅增加；反之則鷹類保護效果將大大折扣。因此需要結合風電項目客觀條件，科學制定設備參數(shù)和停機規(guī)則，實現(xiàn)發(fā)電效益和環(huán)保效益的最大化平衡。根據(jù)環(huán)保法律法規(guī)要求、現(xiàn)場地形地貌、鳥類活動特點、發(fā)電量損失的可接受范圍、對項目日常運行維護的影響等因素綜合考慮，重點考慮金風3S機型的制動時間，經專業(yè)軟件多次模擬和優(yōu)化，確定項目相關參數(shù)。

牧牛山項目可視化鷹類識別保護系統(tǒng)以風機為中心構建了外圓柱體和內圓柱體兩個虛擬的野生動物識別保護空間體系，如圖4所示。該系統(tǒng)可在900 m外對楔尾鷹進行自動探測識別，在該范圍以外發(fā)現(xiàn)任何野生飛禽，系統(tǒng)都不會發(fā)出停機信號；一旦發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進入外圓柱體(半徑900 m，高度900 m)和內圓柱體(半徑675 m，高度450 m)之間的空間，系統(tǒng)將根據(jù)楔尾鷹的飛行速度和飛行軌跡，預測撞擊時間；當發(fā)現(xiàn)楔尾鷹進入內圓柱體區(qū)域，預測撞機時間小于預警時間(55 s)時，系統(tǒng)就會立即向SCADA系統(tǒng)發(fā)出停機避讓信號；楔尾鷹飛離時間超過風險解除時間(90 s)，系統(tǒng)將會向SCADA系統(tǒng)發(fā)出風機重啟信號。

圖4 圓柱體虛擬鷹類識別保護空間體系

3.2.5 鷹類、其他鳥類與風機碰撞調查

由搜尋人員牽領受過專業(yè)訓練的搜尋犬，以周為時間單位對每臺風電機組周邊一定距離半徑區(qū)域范圍內的鳥類尸體進行搜尋，并對搜尋記錄進行統(tǒng)計分析。

3.2.6 應用成效

2019年11月，項目首臺鷹類保護設備與首臺并網風機同步投入使用；2020年5月，全部16臺鷹類保護設備完成安裝調試投入使用，運行界面如圖5所示，至今未發(fā)生一起因楔尾鷹與運行風機相撞受傷和死亡環(huán)保事件。

圖5 IdentiFlight系統(tǒng)運行界面

牧牛山項目實現(xiàn)全容量并網發(fā)電后兩個月左右，因可視化鷹類識別保護系統(tǒng)控制停機導致的棄風率約為6.90%，經調取和分析停機記錄，對相應參數(shù)進行了優(yōu)化。2020年底將因可視化鷹類識別保護系統(tǒng)控制停機導致的棄風率降至3.45%，2021年控制到了1%左右，在確保鷹類保護要求的前提下，實現(xiàn)風電項目經濟效益最大化。

4 結 語

牧牛山風電項目積極應對楔尾鷹瀕危物種保護的苛刻要求，引進世界上最先進的鳥類識別保護系統(tǒng)，并持續(xù)學習優(yōu)化，實現(xiàn)了在幾秒鐘內完成楔尾鷹圖像捕捉、識別、預警和避讓，憑借該系統(tǒng)的技術創(chuàng)新性以及投運后的良好表現(xiàn)，獲得澳洲清潔能源署(CEC)頒發(fā)的2021年“可再生能源創(chuàng)新獎”。該技術在牧牛山項目的成功應用，樹立了“建設清潔能源，營造綠色環(huán)境”的積極形象，為環(huán)境優(yōu)化型風電場建設提供了經驗和借鑒，具有廣闊的推廣應用前景。